指令及使用

5.9.2　PID指令及使用

1．PID回路指令

PID回路指令运用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算，编程极其简便。该指令有两个操作数：TBL和LOOP（如图5-34所示）。

其中TBL是回路表的起始地址，操作数限用VB区域（BYTE型）；L00P是回路号，可以是0到7的整数（BYTE型）。进行P1D运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶（TOS）值必须为1。在程序中最多可以用8条PID指令。PID回路指令不可重复使用同个回路号（即使这些指令的回路表不同），否则会产生不可预料的结果。

注：表中指令标注“？？？？”为操作数。

图5-34　PID指令

S7-200执行PID指令时为“自动”运行方式。不执行PID指令时为“手动”方式。

PID指令有一个允许输入端（EN）。当该输入端检测到一个正跳变（从0到1）信号，PID回路就从手动方式无扰动地切换到自动方式。无扰动切换时，系统把手动方式的当前输出值填入回路表中的M _n栏，用来初始化输出值M _n，且进行一系列的操作，对回路表中的值进行设定：

置给定值SP _n = 过程变量PV _n

置过程变量前值PV _n−1 = 过程变量当前值PV _n

置积分项前值M _X = 输出值M _n

在梯形图中，若PID指令的允许输入端（EN）直接接至左母线，在启动CPU或CPU从STOP方式转换到RUN方式时，PID使能位的默认值是1，可以执行PID指令，但无正跳变信号，因而不能实现无扰动的切换。

2．PID指令的使用

使用PID指令的关键是对采集到的数值和计算出来的PID控制结果数据进行转换及标准化。下面是数值转换及标准化的步骤。

（1）回路输入量的转换及归一化

给定值和过程变量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都会不同，用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序把它们转化为PID能够识别和处理的数据，也即把它们转化为无量纲的归一化纯量、浮点数的格式。

第一步，将工程实际值由16位整数转化为实数，程序如下：

第二步，将实数格式的工程实际值转化为[0.0，1.0]之间的无量纲相对值，用下式来完成这一过程：

式中：R _N为工程实际值的归一化值；R _R为工程实际值的实数形式值，未归一化处理。标准化实数又分为双极性（围绕0.5上下变化）和单极性（以0.为起点在0.和1.0之间的范围内变化）两种。对于双极性，OFF _set为0.5；对于单极性，OFF _set为0。S _P表示值域的大小，通常单极性时取32000，双极性时取64000。

以下程序段用于将AC0中的双极性模拟量进行归一化处理（可紧接上面的程序）：

（2）回路控制输出转换为按工程量标定的整数值

程序执行时把各个标推化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化实数运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数，然后周期性地将其传送到指定的AQW输出，用以驱动模拟量的负载，实现模拟量的控制。这一转换实际上是归一化过程的逆过程。

第一步，用下式将回路输出转换为按工程量标定的实数格式：

式中：R_S为已按工程量标定的实数格式的回路输出；M_n为归一化实数格式的回路输出。程序如下：

第二步，将已标定的实数格式的回路输出转化为16位的整数格式，并输出。

3．选择PID回路类型

在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如，有的只需要比例回路或只需要比例积分回路。通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。

关闭积分回路：把积分时间T _I设置为无穷大，此时虽然由于有初值M _x使积分项不为零，但积分作用可以忽略。

关闭微分回路：把微分时间T _d设置为0，微分作用即可关闭。

关闭比例回路：把比例增益K _c设置为0，则只保留积分和微分项。但是积分项和微分项与K _c有关系，因此约定，此时用于积分项和微分项的增益为1。

在实际工作中，使用最多的是PI调节器。

4．PID变量与范围

过程变量和定点是PID计算的输入值，因此PID指令读取但不改变这些变量的循环表域。

输出值由PID计算生成，因此每次PID计算完成后更新循环表中的输出值域。输出值被固定在0.0至1.0之间。用户可将输出值域用作输入，在从手动控制到PID指令（自动）输出控制的转换过程中指定初始输出值。

如果使用积分控制，则PID计算更新偏差值，而且更新后的数值被用作下一次PID计算的输入。当计算输出值超出范围（输出小于0.0或大于1.0）时，则根据下列公式调整偏差：

M _X=1.0−（MP _n+MD _n）

当计算输出M _n ＞ 1.0时；

M _X= −（MP _n+MD _n）

当计算输出M_n＜ 0.0时。

其中：

M_X —— 调节偏差数值

MP_n —— 采样时间n的循环输出比例项数值

MD_n —— 采样时间n的循环输出微分项数值

M_n —— 采样时间n的循环输出数值

通过按照上述方式调节偏差，一旦计算输出返回适当范围即可实现系统应答能力的改善。计算偏差也被固定在0.0～1.0之间，在每次完成PID计算时被写入循环表的偏差域。循环表中存储的数值用于下一次PID计算。

在执行PID指令之前，用户可修改循环表中的偏差值，以便解决某些应用环境中的偏差值问题。以手动方式调节偏差值时，必须格外小心，写入循环表的任何偏差值必须是0.0至1.0之间的实数。

在循环表中保存进程变量比较，用于PID计算的求导计算部分不应当修改该数值。